基于虛擬透視技術的地下電纜現場展示終端的研究

馬進+楊義軍+于金亮

摘 要：目前，我國高壓電力電纜管理絕大多數依賴于從業人員的經驗和對電纜網絡的熟悉程度，人員專業素質直接影響到電力電纜的運行維護水平，甚至影響到電網的安全運行。現階段由于種種原因，部分線路的資料不全，且有關資料精度不高或與現狀不符，甚至有的直埋電纜沒有路徑走向圖，工作人員在電纜井內工作時，分不清進出井內的電纜是哪條線路。因此，如何利用科學的技術和管理手段對電力電纜信息迸行有效管理，使電力電纜的管理步入定量化、科學化、自動化、現代化的軌道，己成為電力行業當前十分緊迫的任務。針對以上問題，提出以虛擬現實增強技術、實景地理信息系統、移動定位技術、電纜運行檢測技術為基礎，建立電力電纜檔案管理系統，切實解決當前電力電纜及管溝管理的落后狀態，提高電纜管理水平，為電網智能化管理提供技術保障，彌補電纜管理空白，對電纜線路運維提供一手資料。

關鍵詞：電纜管理；虛擬透視；現實增強；三維掃描；數字化全息

本設備將解決電纜線路增線施工、運行維護以下問題：

1、應用三維掃描成像技術進行電纜溝道內部建模，管理人員可以了解溝道內真實電纜布置情況。

2、應用手持機實現地下電纜的模擬顯示，“真實看見”地下電纜走向、相別、疊加、燃氣與供水等城市管網情況。

3、對電纜進行立體化、多維度管理，臺賬、圖紙資料等信息與三維仿真模型結合地理信息系統對地下電纜實行數字化全息管理。

4、實現溝道作業方案三維仿真，模擬施工進度與開挖施工對周圍管網的影響。

5、實現科學化、數字化、直觀化的三維全息電纜檔案與施工管理。

本設備采用現實增強技術與三維地理信息系統技術相結合，通過三維掃描成像技術構建真實的電纜溝建模。將利用三維掃描成像技術將電纜溝內的情況采集到三維地理信息系統，這與以往使用人工建立虛擬地下電纜不同，三維掃描成像技術可以實現真實的地下電纜仿真。進而結合城市管網數據更加直觀、準確的管理地下電纜與進行施工方案制定。通過現實增強技術將地下電纜仿真數據顯示在手持設備屏幕上，基于攝像頭采集的實時影像疊加，為現場人員提供地下電纜的情況模擬就像為現場人員提供了一雙“透視眼”。

本項目采用現實增強技術與三維地理信息系統技術相結合，通過三維掃描成像技術構建真實的電纜溝建模。

本系統將利用三維掃描成像技術將電纜溝內的情況采集到三維地理信息系統，這與以往使用人工建立虛擬地下電纜不同，三維掃描成像技術可以實現真實的地下電纜仿真。進而結合城市管網數據更加直觀、準確的管理地下電纜與進行施工方案制定。通過現實增強技術將地下電纜仿真數據顯示在手持設備屏幕上，基于攝像頭采集的實時影像疊加，為現場人員提供地下電纜的情況模擬就像為現場人員提供了一雙“透視眼”。

下面將逐一介紹本設備實現技術理論：

1、現實增強技術

現實增強技術（以下簡稱AR技術）是虛擬現實技術的一個重要分支，也是近年來的研究熱點。現實增強技術，是在虛擬現實技術基礎上發展起來的新技術，是通過計算機系統提供的信息增加用戶對現實世界感知的技術，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對現實的“增強”。AR技術通常是以透過式空間顯示系統和注冊（AR技術中用戶觀察點和計算機生成的虛擬物體的定位）系統相結合的形式來實現的。AR技術是一個相對較新的研究領域，是一種利用計算機對使用者所看到的真實世界產生的附加信息進行景象增強或擴張的技術。AR技術不是把真實世界與使用者隔離，而是利用附加的圖形或文字信息，對周圍真實世界的場景動態地進行增強。在AR環境中，使用者可以在看到周圍真實環境的同時，看到計算機產生的增強信息這種增強的信息可以是在真實環境中與真實環境共存的虛擬物體，也可以是關于存在的真實物體的非幾何信息。在使用者眼里，真實物體和虛擬物體是共存的，是互相增強或者互為補充的。AR技術是以現實圖像為主，而不是完全取代它。可見，AR技術在虛擬現實與真實世界之間架起了一座橋梁，使現場人員可以如同具有了“透視眼”穿透地表，“看見”地下真實的電纜與城市管網布置情況。

2、三維地理信息系統技術

三維地理信息系統技術作為本項目的核心處理平臺技術，為系統提供良好、直觀的操作交互界面，并利用其強大的分析功能進行電纜溝橫、縱兩個截面的數據分析提取。視覺是理解空間最有用的感覺，因此三維地理信息系統技術（以下簡稱三維GIS）在很大程度上也依賴視覺表現提供更為豐富逼真的信息，各種用戶結合自己相關的經驗與理解就可以做出準確而快速的空間決策。三維可視化能使人們只有抽象概念而難以直接感知的空間現象現實化和直觀化，比如剖析地下結構、反演不會重現的歷史過程、推演未來發展、仿真復雜的時空現象（洪水淹沒、內部污染、事故影響、溫度變化）等，由此能獲得各種超越現實的空間感知經驗。目前，大多數三維GIS的三維能力甚至被認為主要體現在三維可視化功能上，并且是區別于二維GIS最重要的特征之一。突出三維可視化功能的三維GIS在許多場合因此又被稱為“虛擬現實GIS”、“三維可視化GIS”等等。三維可視化越來越多地成為GIS的終端表現形式，并且被認為是不同背景的用戶進行空間信息交流和視覺分析與空間認知的有效媒介。與傳統二維GIS固定的視角或視點觀察效果明顯不同，當用戶把視點放在三維空間里時，不經意的旋轉縮放和平移操作往往容易導致方位的迷失感，使得迅速定位產生困難。為了既能享受常規二維GIS地圖表示優越的方位感，又能得到三維逼真顯示的真實感和沉浸感，多視點的多模態可視化視圖表示成為三維GIS最典型的界面特點。三維GIS基于數據庫能提供多種形式的交互式三維動態可視化功能，比如，較宏觀的飛越漫游能迅速把握整個空間分布包括地形特征和地物布局，較微觀的穿行漫游則能準確分辨地形的微小變化和地物的明顯特征，而且在運動中能及時更新可見的內容并根據距離遠近以不同的細節或尺度進行表現。數據動態裝載、圖形漸進描繪、多重細節層次和虛擬現實表現等因此成為三維GIS可視化的典型技術特征。

三維地理信息引擎及三維電纜模型庫集成，本設備具備依據三維掃描成像數據與電纜拓撲數據進行空間全息投影能力。手持移動應用可現實三維電纜模型展示、臺賬信息查詢、電纜模型與施工方案全息投影等功能，同時手持移動應用具有三維地理信息展示功能，可以在現場直接觀察三維電纜模型在地理模型上的狀態。

結論

本設備將使電纜線路的日常運維做到可視化、參數化、數字化，大大提高了管理人員對電纜線路的管理水平。同時，在曾設電纜施工作業時，可直觀的“看見”地下電纜與城市管網的情況，大大提高了施工安全水平，提升了作業效率。